Propriétés de la fibre de carbone

La fibre de carbone, qui se caractérise par une incroyable résistance combinée à une très grande flexibilité, est l'un des matériaux les plus résistants en termes de propriétés mécaniques. Qu'est-ce qui rend la fibre de carbone si spéciale ? Entrons donc dans ses caractéristiques et sachons pourquoi il s'agit du matériau le plus répandu au monde.

Qu'est-ce que la fibre de carbone ?

Fibre de carbone Comme son nom l'indique, la fibre de verre est constituée de microbrins qui relient deux chaînes d'atomes de carbone de manière cristalline. Il en résulte une fibre incroyablement rigide et pourtant légère. Il s'agit de matériaux composites qui se combinent aux fibres de carbone, ce qui leur confère d'autres propriétés pour être utilisés dans des applications.

Comment fabrique-t-on la fibre de carbone ?

Le processus de fabrication commence par un précurseur, généralement un polymère - le polyacrylonitrile (PAN) est le plus utilisé. Le polymère se transforme en fibre, et le chauffage du polymère peut extraire les éléments non carbonés, laissant une longue et fine chaîne de carbone pur. Les étapes comprennent la stabilisation, carbonisationCes étapes sont importantes pour l'obtention des propriétés spécifiques de la fibre de carbone. Toutes ces étapes sont importantes pour obtenir les propriétés spécifiques de la fibre de carbone. Ce processus complet, mené à des températures très élevées, signifie que les fibres produites sont constituées principalement d'atomes de carbone étroitement liés les uns aux autres.

Propriétés physiques de la fibre de carbone

Densité

Sa densité est très faible et il est donc très léger. Cette propriété convient parfaitement aux applications où le poids est une préoccupation majeure, comme dans les secteurs de l'aérospatiale et de l'automobile. Avec un poids décadent de 1,6 g/cm³, il pèse beaucoup moins que l'acier et encore moins que l'aluminium, ce qui en fait un matériau très recherché dans de nombreuses industries pour son rapport poids/résistance irréprochable.

Structure moléculaire

La composition moléculaire de la fibre de carbone est unique. Le motif hexagonal est une forme d'atomes de carbone reliés entre eux, ce qui la rend aussi résistante que l'acier, tout en pesant une fraction de ce dernier. Un polymère formant une structure hexagonale en treillis confère à la fibre une grande solidité tout en conservant sa souplesse. La structure graphitique lui confère une conductivité thermique et électrique élevée, ce qui peut être bénéfique pour certaines applications.

Flexibilité

Il s'agit d'une structure modulaire, à la fois flexible et très résistante. Elle est flexible tout en étant résistante, ce qui signifie qu'elle peut prendre différentes formes pour de multiples utilisations. Le sens dans lequel les fibres sont orientées lorsqu'elles sont mises en place peut déterminer la rigidité ou la souplesse du matériau en fibre de carbone, ce qui permet de l'utiliser dans une variété de situations différentes. Ainsi, pour les pièces nécessitant une grande rigidité, la fibre de carbone unidirectionnelle peut être utilisée, tandis que la fibre de carbone tissée est utilisée si une plus grande flexibilité et une plus grande résistance aux chocs sont requises.

Propriétés chimiques de la fibre de carbone

Composition chimique

Les éléments constitutifs de la fibre de carbone sont des atomes de carbone. Cette structure simple lui confère une stabilité qui la rend résistante à de nombreux produits chimiques qui finissent par corroder d'autres matériaux. La qualité de la fibre de carbone la rend moins réactive aux conditions environnementales que d'autres matériaux. En outre, contrairement aux métaux, la fibre de carbone n'est pas sensible à la rouille ou à l'oxydation, ce qui constitue un avantage supplémentaire en cas de conditions climatiques extrêmes.

Résistance chimique

La fibre de carbone est très résistante à la corrosion et aux dommages chimiques. Cela lui permet d'être utilisée dans l'environnement extrême de son exposition aux produits chimiques. Dans les usines de traitement chimique, par exemple, la fibre de carbone est couramment utilisée pour résister aux agents corrosifs qui, autrement, attaqueraient les métaux. Grâce à leur résistance élevée aux acides, aux bases et aux solvants, les pièces en fibre de carbone sont assurées d'être durables et fonctionnelles, même dans des environnements chimiques extrêmes.

Propriétés mécaniques de la fibre de carbone

Résistance à la traction

La résistance à la traction de la fibre de carbone est superbe, ce qui signifie qu'elle peut supporter des charges de traction élevées. Cette résistance à la traction en fait un produit couramment utilisé dans les industries aérospatiale et automobile. Par ailleurs, la fibre de carbone a une résistance à la traction comprise entre 3,5 et 6,0 GPa, ce qui signifie qu'elle est meilleure que la plupart des matériaux (et même que l'acier) en termes de poids. Légère et rigide, la fibre de carbone présente une résistance à la traction très élevée, ce qui en fait un matériau idéal pour les applications de support de charge sensibles au poids.

Résistance à la compression

Outre la résistance à la traction, la fibre de carbone possède également une résistance élevée à la compression. Cela signifie qu'elle peut supporter une pression assez importante, ce qui la rend utile dans la construction ou les applications lourdes. La fibre de carbone présente des valeurs de résistance à la compression variables en fonction du type et de l'orientation des fibres, mais sa résistance aux chocs est relativement faible. Cette propriété fait du plastique un matériau de prédilection pour les pièces structurelles qui doivent supporter des charges de compression sans se déformer.

Module d'élasticité

Le module d'élasticité de la fibre de carbone est élevé, ce qui signifie qu'elle peut être pliée lorsqu'on lui applique une force supérieure à la limite d'élasticité. Cette propriété permet à la fibre de carbone de conserver sa forme même sous des charges extrêmes. Selon le type de fibre de carbone, le module d'élasticité varie généralement entre 200 et 600 GPa. La fibre de carbone est beaucoup plus rigide que le métal, mais cette rigidité lui permet d'être utilisée dans des applications de précision telles que les structures aérospatiales, où une déviation de quelques millimètres est considérée comme un défaut de conception.

Résistance à la flexion

Mais la fibre de carbone résiste à la rupture, même en cas de flexion importante. Grâce à sa grande résistance à la flexion, elle peut être utilisée dans des applications nécessitant de la flexibilité tout en préservant l'intégrité structurelle. La fibre de carbone étant un matériau fabriqué par l'homme, la résistance des fibres varie en fonction de leur orientation et de leur stratification. Les composites thermoplastiques, tels que les fibres de carbone tissées, sont souvent utilisés dans des produits qui requièrent une flexibilité et une pliabilité accrues, tels que les articles de sport et les composants automobiles.

Résistance aux chocs

Bien que résistante, la fibre de carbone peut être fragile à l'impact. En la combinant avec d'autres matériaux, on obtient des composites très résistants aux éclats, ce qui améliore la résistance aux chocs du matériau. Lorsqu'elles sont associées à des résines époxy et à d'autres polymères, les fibres de carbone peuvent présenter une résistance élevée aux chocs. C'est pourquoi les composites à base de fibres de carbone conviennent à la manipulation d'applications critiques pour la sécurité, telles que les structures de crash des automobiles et les équipements sportifs de protection.

Résistance à la rupture

Cela est utile pour une couche particulière de la fibre de carbone, car lorsqu'un seul brin se casse, il contient une ténacité à la rupture, qui indique dans quelle mesure il arrête la croissance de la fissure. Bien qu'elle ne soit pas aussi difficile que certains métaux, la fibre de carbone est si légère que, pour certaines applications, les avantages ne valent pas les inconvénients. Dans des secteurs comme l'aérospatiale et l'automobile, les matériaux doivent être robustes et résistants à la fatigue et au stress, ce qui rend la ténacité à la rupture essentielle. D'autres avancées dans la technologie des composites à base de fibres de carbone, pures ou hybrides, ont amélioré leur résistance à la rupture et leurs applications fonctionnelles.

Propriétés thermiques de la fibre de carbone

Point de fusion

D'une manière générale, la fibre de carbone n'a pas de véritable point de fusion car elle ne fond pas dans des conditions normales. Elle se décompose plutôt à des températures très élevées, ce qui la rend favorable aux applications thermiques. Dans des conditions non oxydantes, la fibre de carbone peut résister à des températures allant jusqu'à 3000°C. Cette résistance à la chaleur est utile dans des secteurs tels que l'aérospatiale, où les températures pendant la rentrée atmosphérique ou les vols à grande vitesse peuvent atteindre des niveaux incroyables.

Conductivité thermique

La fibre de carbone a de faibles propriétés de conductivité thermique. Elle conserve sa résistance à des températures élevées, ce qui la rend adaptée aux applications dans des environnements à haute température, tels que l'aérospatiale. Cette qualité la rend idéale pour l'isolation thermique, où la résistance à la chaleur est indispensable mais où l'intégrité structurelle doit être préservée. Il est également utilisé pour l'outillage à des températures élevées, où la stabilité dimensionnelle est primordiale.

Conductivité thermique

La conductivité thermique de la fibre de carbone est anisotrope. Le matériau conduit efficacement la chaleur sur la longueur des fibres, mais isole à travers les fibres, ce qui lui confère des propriétés uniques qui peuvent être exploitées dans diverses applications. En raison de sa anisotrope Grâce à sa conductivité thermique, la fibre de carbone trouve des applications où il est important de contrôler le transfert de chaleur. C'est le cas des dissipateurs de chaleur ou des barrières thermiques dans l'électronique et les véhicules à hautes performances.

Propriétés électriques de la fibre de carbone

Conductivité électrique

La fibre de carbone a une conductivité électrique, souhaitée dans de nombreuses applications comme le blindage électromagnétique, c'est pourquoi nous devons être prudents avec ce matériau dans les endroits où nous avons besoin d'une isolation électrique. En fait, les associations avec les matériaux légers nous conduisent à un autre matériau carboneC'est pourquoi la fibre de carbone est utilisée dans des applications telles que la protection des avions contre la foudre. En revanche, si le carbone, sous certaines formes, peut conduire l'électricité, dans une conception composite typique, un tel comportement n'apparaît au mieux que par inadvertance, ce qui signifie qu'il faut faire attention à l'isolation des composants en fibre de carbone dans des applications telles que les appareils médicaux ou les composants électriques, afin d'éviter toute conduction non désirée.

Utilisation de la fibre de carbone dans différentes industries

Industrie aérospatiale

Le faible poids de la fibre de carbone, associé à sa grande résistance, en fait un matériau très prisé dans l'aéronautique. Pour qu'ils restent efficaces et sûrs, les avions doivent généralement être construits à partir de matériaux lourds mais légers. Il joue un rôle clé dans de nombreuses structures aéronautiques, telles que les sections du fuselage, les ailes et les composants intérieurs. Il s'agit donc d'un matériau essentiel pour les avions commerciaux et militaires en raison de sa capacité à résister aux charges élevées et aux variations de température.

Industrie automobile

Dans le secteur automobile, ce matériau est utilisé pour améliorer les performances des véhicules. Ses caractéristiques de légèreté contribuent à l'allègement, qui améliore la consommation de carburant et la maniabilité. Les véhicules économes en carburant, ainsi que les voitures de sport et les véhicules électriques, utilisent souvent la fibre de carbone pour améliorer l'accélération, le freinage et la capacité à prendre des virages. Les planchers sont en fibre de carbone, de même que les composants structurels, les panneaux de carrosserie et les garnitures intérieures, tout cela pour des raisons de légèreté et d'esthétique.

Équipement sportif

Le matériau de construction de la fibre de carbone spectrale, plus légère, est largement utilisé par de nombreux fabricants d'équipements sportifs. La résistance et la légèreté de la fibre de carbone sont utiles pour les raquettes de tennis, les clubs de golf et les bicyclettes. La conception en fibre de carbone est légère, ce qui permet aux athlètes d'être plus performants. Sur les vélos, les cadres en fibre de carbone assurent un équilibre parfait entre rigidité et confort ; au golf, les manches en fibre de carbone augmentent la vitesse et le contrôle de l'élan.

Dispositifs médicaux

La fibre de carbone est également utilisée dans les dispositifs médicaux, assurant confort et durabilité. En raison de sa légèreté et de sa durabilité, la fibre de carbone a même été utilisée dans les roues de fauteuils roulants et les prothèses utilisées en chirurgie. Sa radiotransparence permet de l'utiliser dans les équipements d'imagerie, car elle n'interfère pas avec les rayons X ou d'autres techniques d'imagerie. Les composants en fibre de carbone peuvent en effet être utilisés dans les lits d'imagerie médicale, ce qui permet d'obtenir des images claires sans interférence.

La construction

La fibre de carbone est utilisée dans la construction pour renforcer les structures. Le PRFC est souvent utilisé pour renforcer les poutres, les ponts et même les bâtiments où il est lié à des polymères. Le PRFC permet d'améliorer des structures préexistantes en leur permettant de supporter une charge plus importante avec une faible augmentation de poids. Sa résistance à la corrosion et à la dégradation de l'environnement le rend particulièrement adapté aux projets d'infrastructure dans des environnements difficiles tels que les zones côtières.

Conclusion

Par définition, la fibre de carbone est un matériau composite, car elle est solide, légère, chimiquement résistante et polyvalente. Ses diverses propriétés la rendent essentielle dans plusieurs secteurs, de l'aérospatiale au sport en passant par la construction. Dans le monde de l'évolution technique, la fibre de carbone est toujours poussée vers de nouveaux rôles et de nouvelles utilisations, marquant ainsi sa place comme l'un des matériaux clés de notre monde moderne. Les propriétés mécaniques, thermiques et chimiques des fibres de carbone expliquent pourquoi elles sont l'un des matériaux les plus populaires pour les applications de haute performance. Son adaptation aux besoins, allant de la résistance à la flexibilité et à la stabilité thermique, permettra à la fibre de carbone de rester à la pointe de la science des matériaux pendant de nombreuses années encore.